压片中的错误--压片和糖衣涂覆数字化模拟的范例研究

作者:Sabine Goodwin,Olen Baran,Kris 文章来源:CD-Adapco公司 发布时间:2014-10-21

当新的药片原材料混合物在药品压片试验中始终得不到理想的结果时,请对压片试验的设计进行优化,或者利用数字化模拟技术进行模拟。这些办法都能帮助用户节约药品研发时间及资金。

压片(把粉质药物压成单剂量固定剂型)和糖衣涂覆是药片生产过程中确定药品重量、强度、密度、硬度和最终固体单一剂型涂层的两个重要工序。上述药片特性中的任何一项出现了偏差,都会对药物有效成分的释放曲线和治疗效果带来负面影响,而且也会改变药片解体、溶出的状况,导致产品的质量缺陷、增加包装、分装和运输时的碎裂损耗。

为什么要进行数字化模拟

计算流体力学CFD是一种数字化的液体、气体和颗粒流进行热传递和物质材料传递的综合计算方法。这种方法能够在实际物理测试之前就对设计的方案或者工艺过程进行评估、分析。例如药片设计师需要一种新的药片形状时,或者需要新的糖衣涂层时,通常要进行大量费时费力、成本很高的试验,寻找出最合理的药片形状或者糖衣涂层的参数,确定生产过程中可能出现的意外参数,避免生产过程中出现偏差并解决规模化生产中可能出现的问题。试验时,利用数字化的模拟方法可以节约大量的时间、药物原材料和研发费用。另外,可视化的模拟工具也提供了大量的、在试验中常常不容易得到的详细信息。它所提供的不仅仅是药片压制过程中的大量数据和信息,而且也提供了创新改进的可能性。

凭借其基于多面计算网格的自动计算技术和大量的物理模型,使得Star CCM+模拟软件成为制药工业领域中一个完整的多学科仿真工具包。这一软件系统中非常适合于药品压片模拟的一项功能就是离散元建模DEM,在这一软件环境中完全与数字化模拟完全耦合的一项功能。

在药片压片和糖衣涂覆时有着大量的离散颗粒,这些颗粒相互之间会有一定的作用,或者会与周围介质相互作用,产生一定的反应。在DEM离散元模型中,这些相互作用和接触力都是随着颗粒物和流体介质的碰撞和热传递而变化。在DEM离散元法的模型中,在给定的检测时间段内可以计算的高密度颗粒流中的颗粒数可高达百万颗,因此是一种非常适合于对药片充填、压制/紧实、加热和干燥实际过程进行模拟分析的好方法。

轻松完成药片压制模拟

图中所示是利用Star CCM+进行药片预压时的模拟结果,利用这一模拟结果可以确定如何排除药片压制过程中常见的缺陷和不足,例如在药片压制过程中常常因为夹杂气体成分和压制过程中颗粒物所引起的夹层。DEM离散元模型主要用于对颗粒物的相互作用进行模拟、药片压制过程中的形状变化进行跟踪,预压后药片形状的重新成型和药品颗粒向预压时产生的空腔中移动的情况进行模拟跟踪。模拟能够提供药片芯部的正确情况,能够帮助设计师确定紧实压制开始前微小的药物颗粒所需的预压力大小和加压时间的长短。

另外,DEM离散元模拟还能检测药物颗粒与周围介质之间相互作用的情况、判定糖衣涂层厚度均匀性这一涉及到药品质量关键因素的真实信息。例如,可以在流化床中对糖衣涂覆工艺过程利用DEM离散元法对颗粒运动的偶然性进行模拟,因为药物颗粒运动的轨迹会影响糖衣涂层涂覆的变化。像颗粒运动速度、停留时间和糖衣膜厚度一类的参数也都可以在模拟过程中受到监控。这些参数都可以在智能化的药品生产设备设计中利用模拟软件中的Optimate功能模块作为目标功能调用。这也就有可能把药品生产设备中的一些重要参数(例如,喷头间距)以及药品生产设备最佳的使用操作条件都确定下来。

糖衣涂层厚度的监控

将来的新版软件中还将增加新颖的被动标量拉格朗日统计功能,使模拟软件的使用者能够更加简单、方便地完成糖衣涂层厚度和其他药片特性的监控。这一新增功能甚至可以在工业化大生产滚筒设备内多达7万药片的糖衣涂覆过程中使用。软件开发组的目标是通过确定滚筒中喷嘴的最佳位置改善糖衣涂层颗粒之间的均匀性。届时软件系统将设定两个反应糖衣厚度的拉格朗日被动标量,一个是单只喷雾锥喷涂糖衣时的被动标量,另一个是两个喷雾锥喷涂糖衣时的被动标量。在这两个被动标量之间的真实涂层范围是相同的。在这种模拟方法的帮助下对两种不同喷涂情况的糖衣厚度均匀性进行了比较,结论是两个喷雾锥喷涂的糖衣层更加均匀。

在今天的竞争环境中,单剂量固定剂型药品的生产应把竞争重点放到提高生产过程的质量和效率方面来了。利用计算流体力学的CFD模拟方法为用户提供了短时间内完成药品试生产和生产工艺参数优化,经济地实现目标的可能性。

药品压片和糖衣涂层时复杂的流动场计算问题在使用了高性能的Star CCM+软件系统和功能强大的DEM离散元法,新颖的拉格朗日被动标量之后都不再成为问题了。制药生产领域的用户也可以全面使用最现代化的工艺和技术了,因为这一软件可以打开改进质量、降低成本以及缩短药品研发时间的大门。

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